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Materiales Magnetoreológicos

Los fluidos magnetorreológicos (FMR) son materiales inteligentes ,  liquidos cuyas propiedades reológicas se ven alteradas por la presencia de una onda  magnético. Su viscosidad al aplicar un campo magnético es regulable desde un fluido medianamente viscoso hasta un estado similar a una masa o lodo muy espeso, sin modificar ni forma ni volumen. Estos fluidos son utilizables para dispositivos donde es necesario una disipación de energía controlada (como frenos , amortiguadores), así como elementos de fijación en base a su variación de viscosidad. Gracias a su aplicabilidad y su gran capacidad para conseguir rápidas y simples interfaces de respuesta entre sistemas electrónicos y mecánicos, Gaiker-IK4 ha estudiado estos fluidos y ha podido desarrollar una solución para el apelmazamiento por decantación de este liquido cuando se encuentra en estado de reposo, simplificando el proceso de fabricación.

A vista , los fluidos magnetorreológicos son de color muy opaco. Si el fluido esta en un recipiente abierto caerá, pero si se aplica suficiente campo no caerá y su aspecto y superficie se mantendrá inmutable dentro del envase.

Su reacción activa ante un campo magnético se debe a que estos fluidos son, de forma general , suspensiones de partículas magnéticas en un fluido portador, estabilizado por un surfactante y adicionalmente otros aditivos. Al aplicar un campo magnético, las partículas tienden a polarizarse y alinearse con el campo magnético , formando una estructura fibrilar encadenada en unas pocas milésimas de segundo . Así, la viscosidad de este liquido  aumenta en función de la intensidad del campo magnético aplicado. Este aumento no es ilimitado , termina por exponer una saturación magnética gradual. Esta saturación del fluido es proporcional a un valor igual al producto de la polarización de saturación del material magnético. En caso del hierro 2,1 Teslas (T)  por el porcentaje de partícula contenida en el fluido.

Es importante saber separar los fluidos magnetorreológicos (FMR) de los Ferrofluidos (FF). Los FMR presentan en su composición partículas de tamaño micro y nano, sin embargo, en los FF todas las partículas son entorno a los 10 nm con lo que el liquido es prácticamente una suspensión coloidal, no sedimenta y ante el campo magnético las partículas tienden a seguir las líneas de fuerza y forman agujas que sobresalen de su normal superficie, siendo sus propiedades y precio muy distintos .

Composición y propiedades de los FMR

Las variables responsables de las propiedades de los liquidos magnetorreológicos son variadas y  diferentes: el tipo de partícula así como la dimensión, geometría, distribución de tamaños y la cantidad utilizada; el liquido portador, que tiene mucha influencia  en la viscosidad del fluido, comportamiento térmico, químico y en la sedimentación de las partículas; y los diferentes aditivos añadidos para el control de variables tales como sedimentación, viscosidad, tixotropía y estabilización del fluido.

El estudio de estas variables y su influencia sobre la resistencia al flujo de los fluidos magnetorreológicos es en lo que Gaiker-IK4 ha centrado sus esfuerzos en los últimos años. El conseguir predecir de una manera más o menos aproximada el comportamiento de los fluidos en base a su composición ha permitido conocer la conducta de estos materiales y ajustarlos a la medida que las aplicaciones requieren .

Se han estudiado las distintas variables que pueden afectar el comportamiento de los materiales como los aditivos o la viscosidad del fluido portador, que tiene un efecto muy grande en la sedimentación de manera que cuanto menos sea ésta mayor es la sedimentación, independientemente de que ésta sea aditivada, para hacer aumentar la viscosidad. También se han estudiado diversas combinaciones de tamaño, forma y naturaleza de las partículas para alcanzar una distribución ideal .

Gaiker-IK4 ha elaborado a lo largo de la última década  fluidos con distintas propiedades y calidades entre los que se aprecian diferencias en el valor de ratio F. El punto de fluencia ‘Yield Point’ es el momento en que el fluido comienza a fluir. El esfuerzo necesario para llegar a este punto se llama ‘esfuerzo de fluencia’ o esfuerzo umbral, más conocido como ‘yield stress’. Los FMR muestran habitualmente yield strengths de 50-100 kPa para campos magnéticos aplicados de 150-250 kA/m (~2-3 kOe) y una viscosidad sin campo magnético de 200-300 mPa•s a 25°C.

El Esfuerzo Umbral Estático se considera el esfuerzo mínimo para que dicho fluido sufra una deformación  pueda ser considerado como flujo. Para ello, se ha estructurado un ensayo de reología rotacional en el que se realiza una rampa de esfuerzo, con un tiempo de integración de 4 segundos para permitir que el equipo obtenga una buena medida del esfuerzo.

Otra propiedad que se debe controlar es la inevitable sedimentación. Cuando el fluido queda en reposo, las partículas tienden a decantar, siendo necesario tomar en consideración para las aplicaciones las siguientes premisas: minimizar la sedimentación desde la formulación; ante procesos largos de reposo del dispositivo que contiene los FMR, considerar sistemas de reflujo para mantener  las partículas de manera dispersa ; y caracterizar adecuadamente el fluido para asegurar su rápida y óptima dispersión una vez se redispersa el fluido. Evitar que tras la sedimentación se generen aglomeraciones que cambien su dispersión y modifiquen las condiciones iniciales del fluido.

La conducta a fatiga, tanto del fluido magnetorreológico como de los dispositivos, se ensaya en variadas frecuencias y representa la fuerza frente al desplazamiento a distintas intensidades de campo. Por otro lado, el efecto ‘In-Use-Thickening’ (IUT) se realiza, por ejemplo, cuando un fluido es de relativa baja viscosidad y se convierte en una pasta con la consistencia de un betún.

En la actualidad este problema ha sido identificado y, en muchos casos, resuelto ya que todos los FMR muestran un porcentaje  de deterioro en función de las condiciones que hayan tenido que soportar según su aplicación. Se cree que este incremento de la viscosidad es debida a la destrucción de la superficie que se desmenuza fácilmente de las partículas de hierro. En consecuencia , dependiendo del tipo de mecanismo en el cual se va a emplear el fluido, las condiciones a las que el fluido es expuesto y la duración que dura la exposición, puede en un inicio partir de una formulación genérica, pero si el objetivo es un óptimo rendimiento necesitará de un desarrollo particular de la formulación.

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